《Micro and Nano Engineering》：ArF grayscale lithography for high-volume manufacturing of submicron 3D structures
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三维微加工领域的发展受到从光学、微流控、微机电系统（MEMS）到光子学等多种应用需求的推动。遵循微元件的全球趋势，三维结构也常常面临小型化的需求。在工业领域，这一目标与对高分辨率、大规模和低成本三维微加工工艺的要求相契合。灰度光刻（GPL）是经典光刻技术的衍生
三维微加工领域的发展受到从光学、微流控、微机电系统（MEMS）到光子学等多种应用需求的推动。遵循微元件的全球趋势，三维结构也常常面临小型化的需求。在工业领域，这一目标与对高分辨率、大规模和低成本三维微加工工艺的要求相契合。灰度光刻（GPL）是经典光刻技术的衍生技术，它使用低对比度光刻胶和未解析的二元掩模，在单次光刻步骤中完成三维结构的制造，从而提供了理想的高通量。这项工作的目标是通过向193纳米干法光刻工艺过渡，提出GPL技术的延伸，为此已开发出相关的低对比度光刻胶。其目的是为各种亚微米三维特征的大批量制造提供概念验证。根据先前确立的最佳实践，设计了专用的二元光掩模，并研究了采用曲线亚分辨率掩模特征的方法。开发了一种新的ArF光刻胶配方，以满足剂量敏感性和涂覆厚度的要求。该材料通过其对比度曲线的渐进行为显示出所需的响应。这两项成果的结合使得首次实现最先进的ArF灰度光刻工艺成为可能。通过倾斜扫描电子显微镜（SEM）检查和三维原子力显微镜（AFM）扫描，展示了各种亚微米抗蚀剂图案的图形化。G-ArF工艺作为亚微米三维结构大规模图形化的有力竞争者，其可行性得到了证明。此外，本研究为该技术及其未来应用的许多进一步发展打开了大门。
**1. 引言**
在持续发展的微电子领域，多种应用可能需要三维组件：成像器微透镜、增强现实/虚拟现实（AR/VR）闪耀光栅、用于光引导或植入深度控制的可变斜率、法布里-珀罗（Fabry-Perot）滤色片等。尽管三维图形化方法多种多样，但在大批量制造和高分辨率工艺之间取得平衡仍然具有挑战性。
关于大批量制造，灰度光刻（GPL）是一个强有力的候选者，因为它基于经典的光刻工具，因此继承了其产率。该方法使用局部可变的曝光剂量，结合低对比度光刻胶，在单次光刻步骤中，显影后获得不同的光刻胶厚度。有效剂量本身由光学未解析的铬-石英二元光掩模控制，其局部透射率由铬密度控制。GPL的主要弱点在于其横向分辨率，受限于所涉及的光学现象，这与产率低的直接写入技术形成对比。实际上，GPL的提供类似于经典光刻，即微纳电子学中的参考制造技术，并允许快速制造数百万个三维图案。相比之下，大多数可用的替代三维图形化技术耗时得多，因此实际上不适合大批量制造。在文献中，大多数GPL工艺基于i线工具（曝光波长λ = 365纳米）。为了充分利用GPL的产率并提高横向分辨率，自然的应对措施是降低曝光波长，遵循经典光刻的步骤。本文介绍了一种新的GPL工艺，这是文献中首次报道的此类工艺，它使用193纳米干法ArF曝光来制造各种三维几何形状：ArF灰度工艺（G-ArF）。向更短波长的过渡尤其能够减小光学影响半径，这与工艺的横向分辨率直接相关。在经典光刻中，可以通过瑞利（Rayleigh）准则粗略估计分辨率：最小特征尺寸 = λ / (NA * (1 + σ))。基于此准则，当曝光波长从365纳米变为193纳米时，最小可打印特征尺寸减小了近两倍。虽然对于考虑垂直分量的三维图形化，分辨率的改进更难估计，但强烈预期存在类似的趋势。此外，ArF照明通常使用更薄的抗蚀剂堆叠，这也有助于提高横向分辨率。
为了使G-ArF工艺成为现实，必须考虑几个挑战。首先，如上所述，需要低对比度光刻胶。在本研究进行时，此类材料在商业上不可用。作为回应，与抗蚀剂供应商共同开发了一种新的低对比度193纳米光刻胶。其次，必须考虑掩模设计上的约束，以使其保持未解析状态，因为降低波长会显著提高工艺的光学分辨率。此外，还希望将掩模数据准备扩展到文献中常见的经典点和线图案之外。作为应对这些挑战的一种方式，采用了多束掩模写入技术，允许精确的掩模写入以及包含非曼哈顿和曲线图案。
在本研究中，研究人员首次证明了ArF灰度工艺适用于亚微米三维结构的大批量制造，以及在灰度光刻中采用非曼哈顿掩模设计的可行性。
**2. 实验设置**
研究了共同开发的低对比度ArF材料的两种配方。由于该材料在工业环境中处于开发阶段，目前未完成的状态下无法分享其组成的任何细节。该材料也尚未完全表征，预计不久将得到改进。然而，其行为受光敏抗蚀剂中观察到的经典现象支配。因此，在下文中，该材料将被视为一种显示低对比度的常规光刻胶。
研究的两种配方，称为“抗蚀剂A”和“抗蚀剂B”，主要区别在于其稀释比例，这允许不同的涂覆厚度。虽然工艺A是G-ArF工艺灰度行为的首次证明，但本研究将主要集中于工艺B，其初始抗蚀剂厚度更适用于高横向分辨率三维图形化和大规模生产。实际上，在工艺A的情况下，需要高剂量来清除抗蚀剂，导致透镜加热状态，这会恶化图形化并降低产率。工艺参数总结在表中。
整个工艺在CEA-LETI使用经典的ArF光刻集群进行，以裸硅作为基底。由ArF尼康（Nikon）扫描仪产生的照明保持常规。在此光学设置下，根据瑞利条件，分辨率极限为134纳米。显影时间是标准的。
工艺B的对比度曲线通过明场曝光和椭圆偏振测量获得。观察到显影后抗蚀剂厚度随剂量逐渐减小，直到剂量达到约32毫焦/平方厘米的清亮剂量值。这种行为允许灰度图形化。可能会注意到曲线上的波动，特别是在高剂量下。这些很可能源于驻波现象。
然后使用二元铬-石英掩模进行局部剂量调制，观察了灰度行为。这些结果将在下文介绍。
**3. 三维图形化结果**
基于已建立的工艺，需要另外两个贡献来评估G-ArF工艺的三维图形化能力：
首先，必须设计一个适应的未解析光掩模。选择采用多束掩模写入技术，将灰度光刻的掩模数据准备推向新的考虑因素，例如非曼哈顿掩模图案。
其次，必须确定计量手段（方法、后处理等）。在本文中，呈现的大多数结果是通过倾斜扫描电子显微镜（SEM）成像或三维原子力显微镜（AFM）扫描获得的。
这项形态学研究的目的是回答四个问题：（a）是否通过G-ArF工艺获得了三维图形化？（b）它能否实现亚微米三维图形化？（c）非曼哈顿掩模是否有效？（d）经典光刻和灰度光刻能否同时进行？
（a）使用G-ArF工艺进行三维图形化的首次证明是通过工艺A获得的。更具体地说，进行了具有变化厚度的大型柱状结构的制造。该形态的概念视图以及所使用的掩模如图所示。掩模图案是固定间距的未解析线网。从一个柱到另一个柱，改变线条的关键尺寸（CD）以调制铬密度，从而调制有效剂量，导致柱的厚度变化。
图案化柱的光学显微镜顶视图如图所示。每个矩形对应一个单独的柱。从一个柱到另一个柱的颜色变化与抗蚀剂厚度变化相关，因此与三维图形化相关。单个柱行的机械轮廓仪扫描如图所示。随着掩模铬密度降低，即有效剂量增加，观察到厚度递减的柱：三维图形化得到确认，实现了超过一百个灰度级。
在本文的后续部分，所有实验结果均通过工艺B获得。
（b）如果使用新G-ArF工艺验证三维图形化是第一步，那么真正的动机在于其执行亚微米图形化的能力。为了评估这一点，选择的用例是制造亚微米闪耀光栅，这对光子器件有重要意义。所使用的掩模图案是未解析的平行线，从左到右CD递减，间距固定，如图所示。用于定义单个齿的线条数量，记为n，由n = d / p定义，其中d是单个齿的宽度，p是掩模图案的间距。
图7展示了使用G-ArF工艺制造的闪耀光栅的倾斜SEM图像。光栅齿的宽度为400纳米，分别被200、300和1000纳米的间隔隔开。对于200纳米的间隔，光栅齿似乎是连接的：抗蚀剂在它们之间没有完全去除。当间隙增加到300纳米，然后到1000纳米时，在齿之间看到硅：抗蚀剂被局部完全去除，每个齿变得孤立，如图8的AFM扫描所示，比较了50纳米和1000纳米间隙。如果这个第一个结果在G-ArF工艺适用于亚微米图形化方面是有希望的，那么有几个方面需要改进：
当间隔小于300纳米时，光栅齿之间抗蚀剂的不完全去除应得到改进，以避免多图形化步骤的复杂性。这种不完全去除是由于当结构在掩模上彼此太接近时的邻近效应，从而通过系统的光学影响半径相互影响空间图像轮廓。改进这种行为的一种方法是增加光学设置的NA和σ，从而缩小影响半径。另一种可能的方法是优化考虑邻近效应的掩模图案，即三维光学邻近效应校正（3D-OPC）。
在抗蚀剂图案表面观察到高粗糙度。这种粗糙度可能源于所使用的材料成分以及工艺步骤本身。虽然其值尚待估计，但未来的研究重点放在这个主题上。基于现有图像进行定性讨论也是可能的，以更好地理解这种粗糙度可能产生的影响。对于某些情况，例如图8显示的宽度400纳米/间隔50纳米的闪耀光栅，粗糙度在数量级上接近制造结构的高度。由于器件的功能点，即所处理的波长直接与结构高度和角度相关，这种粗糙度要么导致多种功能模式共存，要么没有，从而完全阻碍目标器件的功能。这样的结论也可能适用于其他应用，如MEMS、光子学或滤波器件，突出了降低粗糙度的必要性。考虑微调光敏材料或其烘烤工艺步骤以改善这种行为。
制造的闪耀光栅显示出几十纳米的低垂直振幅。闪耀光栅的高度直接与其功能点相关，此参数应可调。为了做到这一点，可以优化掩模设计和工艺参数，特别是曝光剂量。这种改进也可能是分离齿间间隔较小的一种方法。
（c）本研究的第三个目标是展示使用非曼哈顿掩模设计进行三维图形化。引入此类设计被提议作为当前灰度光刻中使用的掩模数据准备的丰富。提出的用例是制造上升螺旋，其掩模图案是具有不同CD和角度的铬矩形，如图9所示。
在抗蚀剂中图案化的结构的三维AFM扫描在图10（2微米宽螺旋）和图11（1微米宽螺旋）中可见。对于两种变化，都获得了约80纳米高的上升螺旋：非曼哈顿掩模图案被证明对于制造复杂三维几何形状是有效的。然而，对于两种情况，超过一半的初始抗蚀剂厚度损失了。这表明即使对于低有效剂量，在显影步骤中也损失了大量的抗蚀剂。虽然这种效应的起源尚未找到，但正在进行研究以确定它。最初的理论通常包括光刻胶的奇异行为、其漂白或暗侵蚀效应。后者已被证明无关，因为在未曝光的抗蚀剂中，显影后未观察到过度损失。因此，未来的研究侧重于更好地理解光敏材料的响应及其曝光期间所涉及的机制。一个关键考虑的方面是n（折射率）和k（消光系数）参数在曝光前后对于不同曝光剂量的演变。这些参数与光敏材料接收和吸收的光直接相关，可能有助于解释观察到的行为。
图12显示了2微米宽螺旋的SEM图像，揭示了抗蚀剂表面的结构化。这种效应源于掩模图案略大于分辨率极限，导致在制造的三维结构表面部分打印。这种表现可以从两个角度来看。一方面，它提醒了掩模图案尺寸必须严格限制以保持未解析。另一方面，它为一新的图形化方法打开了大门，结合GPL和掩模图案的部分打印，在三维微结构顶部进行纳米图案的制造，或分层结构化。
（d）在分层结构化中，微米和纳米结构，即经典和灰度光刻图形化，都是使用围绕分辨率极限的相同掩模图案完成的。另一种混合经典和灰度光刻的方法是将掩模设计分成两部分：大的、已解析的铬图案被较小的未解析特征包围。理论上，采用这种设计，虽然大的、已解析的图案会完全打印，但未解析的特征会产生三维背景。这个概念已使用图13所示的掩模设计得到证明。一个大的铬图案，呈鸭子轮廓形状，被未解析的铬点包围，这些点在上下方向上定义了密度梯度。
使用此掩模获得的轮廓的三维AFM扫描如图14所示。二维轮廓完全以最大抗蚀剂厚度（约100纳米）打印，而未解析特征在背景中定义了一个斜坡。这个结果证明了对于非关键尺寸，可以同时进行经典和灰度图形化。图15显示了使用两种不同曝光剂量制造的结构的倾斜SEM图像。对于较高的剂量，背景斜坡缩短，而二维结构保持不变，证明了可以在二维结构周围调制三维图形化的可能性。
**4. 结论与展望**
在这项工作中，提出了一种ArF灰度光刻工艺，这是文献中首次报道的此类工艺。该工艺旨在实现亚微米三维结构的大批量制造。
首先，为了使G-ArF工艺成为现实，与抗蚀剂供应商共同开发了一种低对比度材料，并表征了其对比度曲线。然后使用这种低对比度光刻胶来证明G-ArF工艺的灰度行为，从制造多高度柱开始。
接下来，通过制造亚微米闪耀光栅，展示了G-ArF工艺执行亚微米三维图形化的能力。虽然这个第一个结果在G-ArF工艺对亚微米图形化的性能方面是令人鼓舞的，但也强调了需要改进的领域：粗糙度、邻近效应、高初始抗蚀剂厚度损失等。最终，在工业环境中在300毫米晶圆上图案化大量亚微米闪耀光栅，证明了G-ArF工艺在大批量制造方面的能力。然而，必须改进制造的三维形状的质量，以使这一成功具有实际意义。
继这些结果之后，建立了两个概念验证。首先，证明了采用非曼哈顿掩模设计对于制造复杂三维形态是有效的。这项技术被提议作为灰度光刻掩模数据准备方法的丰富。然后，提出了经典和灰度光刻的结合，用于同时制造二维结构和三维背景。这种方法可以考虑用于减少非关键横向尺寸结构的制造工艺步骤数量。
除了这些初步结果，G-ArF工艺本身仍处于起步阶段，其大部分优势在于未来的发展前景。首先，需要对该工艺进行建模以进行优化并建立适当的三维光学邻近效应校正（3D-OPC）。其次，应考虑图案化后的三维抗蚀剂图案的刻蚀：建模、刻蚀偏置校正等。接下来，作为进一步提高工艺横向分辨率的一种方式，可以考虑切换到浸没工艺或引入非二元光掩模。
最后，本研究强调了一种用于分层结构化的新图形化方法的潜力。该方法依赖于低对比度光刻胶和略高于分辨率极限的掩模图案，以在三维微结构顶部制造纳米结构。
